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10.02.2011

Überschreiten der Grenze

Faseroptisches System misst schwer zugängliche Merkmale

Der Einsatz von Standardsensoren für die Prozessüberwachung hochgenauer Bauteile stößt durch Faktoren wie Sensorbaugröße, Messunsicherheit, Taktzeiten und Umgebungseinflüsse oft an technische Grenzen. Zur Überwindung dieser Grenzen hat das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie zusammen mit der fionec GmbH, beide Aachen, ein auf Lichtwellenleitern basierendes hochpräzises Abstandsmesssystem für die Messung schwer zugänglicher Prüfmerkmale entwickelt. Damit lassen sich beispielsweise Mikrostrukturen und Mikrobohrungen messen sowie der Maschinenzustand überwachen.

Sensoren, basierend auf Lichtwellenleitern, stellen eine etablierte Technik für viele Felder der Produktions- und Verfahrensmesstechnik dar. Sie kommen insbesondere immer dann zum Einsatz, wenn spezielle Eigenschaften gefragt sind wie:

  • hohe Miniaturisierung der Messsonde (Faserdurchmesser bis zu 80 µm),
  • keine Beeinflussung durch äußere elektromagnetische Felder,
  • hohe Robustheit gegen aggressive Medien,
  • niedrige Transmissionsdämpfung (Fernmessung und Sensorlängen über 1.000 m),
  • Aufbau von Vielstellenmessplätzen und Sensornetzen.
Bild 1. Formmessung und Verschleißinspektion an einer Schleifscheibe

Bild 1. Formmessung und Verschleißinspektion an einer Schleifscheibe

Das Miniaturisierungspotenzial von optischen Fasern wird speziell in der Mikrosystem- und in der Ultrapräzisionstechnik genutzt. So werden zum Beispiel miniaturisierte Messsonden für die Qualitätssicherung und Prozessüberwachung in verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Beispiele sind die faseroptische Rundheitsmessung von Einspritzdüsen von Common-Rail-Einspritzsystemen [1] oder auch die Druck- und Temperaturmessung.

Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT) und die fionec GmbH, beide Aachen, haben ein System für die genaue berührungslose Abstandsmessung entwickelt. Dieses weist neben den Lichtwellenleitereigenschaften, hohe Messfrequenzen (bis zu 10 kHz) und Messunsicherheiten im Nanometerbereich auf.

Absolute Messung ermöglicht

Das faseroptische Messsystem basiert auf dem Prinzip der kurzkohärenten Interferometrie und ermöglicht somit absolute Messungen auch auf technischen Oberflächen. Hauptbestandteile des Systems sind eine opto-elektronische Auswerteeinheit und eine fast beliebig lange faseroptische Messsonde, die auf den jeweiligen Anwendungsfall ausgelegt wird.

In der Auswerteeinheit wird der Abstand zwischen Sonde und Messobjekt optisch dekodiert und anschließend berechnet. Messungen sind extern mit einer Messfrequenz von 5 kHz triggerbar, wodurch sich das System auch für die In-Prozess-Messtechnik eignet. Die Messunsicherheit beträgt circa 10 nm [2]. Das Gesamtsystem, bestehend aus Auswerteeinheit und Sonde, wird von fionec vertrieben.

An die Messaufgabe angepasst

Durch eine Integration des faseroptischen Messsystems in Formmessplätze und in Koordinatenmessgeräte (KMG) konnten bisher diverse Messaufgaben aus verschiedensten Anwendungsbereichen gelöst werden. Einige Beispiele sind nachstehend wiedergegeben:

Oberfläche

Der hohe Miniaturisierungsgrad der Sensoren ermöglicht die Messung der mikrostrukturierten Oberflächen von Riffelwalzen, die unter anderem zur Herstellung von Wellpappe eingesetzt werden. Auch Messungen an abrasiven Oberflächen, insbesondere bei strukturierten Bauteilen, sind durch das berührungslose Messprinzip möglich.

Ein Beispiel ist das berührungslose Messen von strukturierten Schleifscheiben, die für die Strukturierung von Silizium-Wafern eingesetzt werden (Bild 1) [3]. Der entscheidende Systemvorteil liegt einerseits in der berührungslosen Messung, die eine Beschädigung des Sensors an der abrasiven Oberfläche verhindert, andererseits erlaubt die Sondenminiaturisierung die Messung auch an schwer zugänglichen Prüfmerkmalen der mikrostrukturierten Bauteile.

Form

Eine weitere Messaufgabe findet sich in der hochpräzisen Zahnradinspektion, insbesondere bei der Rundheitsmessung von Zahnflanken (Bild 2). Ein entscheidender Vorteil des Messsystems ist, dass Zahnräder mit verschiedensten Durchmessern, Zahnflankenformen und -anzahl mit hohen Messraten quantifiziert werden können.

Bild 2. Formmessung der Zahnradflanken eines Zahnrads für ein Uhrwerk

Bild 2. Formmessung der Zahnradflanken eines Zahnrads für ein Uhrwerk

Die faseroptischen Sensoren können auch für die Formmessung von Spritzlöchern bei Diesel-Einspritzdüsen sowie von Ventilen für hydraulische Systeme eingesetzt werden. Diese Bauteile besitzen Bohrlöcher mit Durchmessern im Bereich zwischen 120 µm und wenigen Millimetern, bei Formtoleranzen kleiner 5 µm (Bild 3) [1]. Eine Rundheitsmessung ist in Bild 4 dargestellt. Bei der Inspektion der Spritzlöcher (Durchmesser: 120 µm) kann mithilfe der faseroptischen Sensorik erstmals die Bohrlochgeometrie gemessen werden.

Bild 3. An einem Formmessplatz mit integriertem Messsystem wird die Rundheit eines 4-mm-Bohrlochs gemessen.

Bild 3. An einem Formmessplatz mit integriertem Messsystem wird die Rundheit eines 4-mm-Bohrlochs gemessen.

Temperatur

Neben der Formmessung können auch Prozess- und Verfahrensparametern aufgenommen werden (zum Beispiel Druck und Temperatur). Durch den Einsatz eines optischen Sondenelements, das sich linear mit derTemperatur ausdehnt, kann die Temperatur mit hoher Genauigkeit, miniaturisiert und vor allem inert zu aggressiven Medien, zu biologischen Elementen und zu elektromagnetischen Feldern gemessen werden.

Im Bereich der Ultrapräzisionsfertigung wurde mithilfe von faseroptischen Sonden die temperaturbedingte Maschinenbettausdehnung (Granit) gemessen. Im Vergleich mit anderen Sensoren überzeugen die faseroptischen Sensoren durch die Möglichkeit einer hohen Packungsdichte am Messpunkt sowie durch ihre hohe Temperaturauflösung. Gerade bei vielen Messstellen sind faseroptische Sensoren auch bezüglich der Anschaffungskosten sehr interessant, da meist nur eine Auswerteeinheit für alle Messsonden benötigt wird.

Vielstellenmesstechnik

Bild 4. Messung der Rundheit an einer Einspritzdüse

Durch die Verwendung von faseroptischen Schaltern ist außerdem ein Einsatz des Messsystems als Vielstellenmesssystem möglich. Es lassen sich individuelle Prüfkörper mit mehreren faseroptischen Sonden aufbauen, die analog zu pneumatischen Mehrstellenprüfplätzen funktionieren [2]. Ein solcher Prüfkörper liefert genaue Messwerte, ist immer wieder verwendbar und benötigt ebenfalls nur eine Auswerteeinheit.

Der Fokus der weiteren Entwicklungen liegt momentan auf der ständigen Erweiterung des faseroptischen Sondenportfolios. So sind spezielle Sonden für die Rauheitsmessung und die Optikprüfung geplant. Das Einsatzspektrum des Messsystems soll sich durch die Entwicklung einer integrierten Rotationseinheit erweitern. Das System soll zudem insbesondere für die Bohrungsmessung unter verschiedenen Oberflächenwinkeln eingesetzt werden.

Autoren

Prof. Dr.-Ing. Robert Schmitt, geb. 1961, ist Inhaber des Lehrstuhls für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement und Mitglied des Direktoriums des Werkzeugmaschinenlabors (WZL) der RWTH Aachen sowie als Leiter der Abteilung Produktionsqualität und Messtechnik des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie (IPT) Mitglied des Direktoriums des Fraunhofer IPT.

M. Sc. Guilherme F. Mallmann, geb. 1982, ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IPT, Abteilung Produktionsqualität und Messtechnik, mit dem Arbeitsschwerpunkt faseroptische Sensorik.

Dipl.-Ing. (FH) Andreas Merz, geb. 1979, ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IPT, Abteilung Produktionsmaschinen, mit dem Arbeitsschwerpunkt Sondermaschinenbau.

Dr.-Ing. Frank Depiereux, geb. 1973, war wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IPT, Abteilung Produktionsqualität und Messtechnik. Während seiner Institutszugehörigkeit entwickelte er maßgeblich das faseroptische Distanzmesssystem und promovierte über die Thematik. Seit Mitte 2007 ist er Geschäftsführer der fionec GmbH, Aachen.

Von Robert Schmitt 1 , Guilherme F. Mallmann 1 , Andreas Merz 1 , Frank Depiereux 1
1 Aachen

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Literaturhinweis

1 Pfeifer, T.; Schmitt, R.; König, N.; Mallmann, G.: Interferometric Measurement of Injection Nozzles using Ultra-Small Fiber-Optical Probes. IMEKO TC2 Proceedings, Hangzhou, 2010

2 Schmitt, R.; König, N.; Mallmann; G.; Depiereux, F.: Fiber-optical measurement of form deviations of rotationsymmetric part. Measurement, Vol. 43, Ausgabe 5, Juni 2010, Elsevier,London, S. 714–718

3 Leifhelm, B.: Großflächiges Strukturieren von Siliziumwafern in der Solarzellenproduktion, Berichte aus der Produktionstechnik. Band 17, Shaker Verlag, Aachen, 2004, S. 9–12

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